水鎂石-堿法制備重質氧化鎂的研究

翟 俊，黃春暉，張 琴，趙 娜，宗 俊

（華東師范大學化學與分子工程學院，上海200241）

水鎂石-堿法制備重質氧化鎂的研究

翟 俊，黃春暉，張 琴，趙 娜，宗 俊

（華東師范大學化學與分子工程學院，上海200241）

以水鎂石和氫氧化鈉為原料制備重質氧化鎂。探究了原料配比、煅燒溫度對氧化鎂的表觀密度、活性和形貌的影響。研究發現:通過控制原料配比和煅燒溫度，可以制備出表觀密度達到1 g/mL以上的膠囊狀重質氧化鎂，這是其他方法很難達到的。在氯化鎂與氫氧化鈉物質的量比為1∶（1.2～1.8）、煅燒溫度為600～750℃條件下，制得氧化鎂的表觀密度最大，最高可達1.15 g/mL以上。而且制得的氧化鎂晶型結構穩定，含雜質較少。

水鎂石；重質氧化鎂；表觀密度；膠囊狀；晶型結構

水鎂石主要成分為Mg（OH）2·xH2O。就目前世界上已經發現的礦物中氧化鎂的含量而言，水鎂石是氧化鎂含量最高的礦物，氧化鎂質量分數高達65%以上。水鎂石有害雜質含量少，熱分解后產生的是水，而不是CO、CO2或其他對環境有害的氣體，有益于環境保護［1］。中國水鎂石礦主要分布在陜西、吉林、遼寧等省，總儲量達1×107t，僅陜西就占7.8× 106t。水鎂石可以露天開采，很有開發利用價值［2］。

重質氧化鎂是一種無毒、無臭、無味的白色或米黃色粉末，難溶于水及有機溶劑，但容易吸潮，與空氣中的水分及二氧化碳反應形成鎂復鹽，相對密度為3.58，熔點為2 800℃。商業重質氧化鎂比表面積只有35 m2/g左右，在一定溫度下水解改性得到氧化鎂的比表面積也只有100 m2/g左右［3］。目前，國內外對重質氧化鎂的研究相對于其他種類的氧化鎂而言還遠遠不足，對重質氧化鎂的定義也沒有明確的限定，一般來說表觀密度大于0.5 g/mL的氧化鎂即可稱為重質氧化鎂［4］。菱鎂礦石或水鎂石經輕燒也可得到重質氧化鎂［5］，例如直接煅燒水鎂石就可得到表觀密度大于0.8 g/mL的氧化鎂。但是，這種方法得到的重質氧化鎂為初級產品，品質較差、含雜質較多，無法滿足精細化工生產的要求［6］。盡管人們對重質氧化鎂的研究較少，但是不能忽視它在工業上的重要用途。重質氧化鎂在磁性材料行業用于彩色電視機的偏轉線圈（鐵氧體軟磁）和其他鐵氧體磁性材料，在鋼球拋光行業做拋光劑，在電器行業做酚醛樹脂（俗稱電木粉）的原料，另外在飼料、玻璃、陶瓷、工業催化劑、環保行業也有很大的用途［7］。最新發現，重質氧化鎂在節能燈的燈座或燈絲里作為添加型材料，具有導熱性能良好且阻燃的特性，能提高燈泡的使用壽命，具有很大的應用價值［8］。

筆者采用水鎂石-堿法制備重質氧化鎂，不僅克服了直接煅燒水鎂石帶來的雜質含量高的問題，還可以提高氧化鎂的表觀密度，使其表觀密度從0.75 g/mL提高到1.0 g/mL以上，甚至可以達到1.2 g/mL。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑和儀器

原料與試劑:水鎂石礦粉（上海實業振泰化工有限公司），氫氧化鈉、鹽酸、碘、四氯化碳、可溶性淀粉、五水合硫代硫酸鈉、碘化鉀均為分析純，去離子水。儀器:馬弗爐、85-2A數顯恒溫磁力攪拌器、Bruker D8型X射線衍射儀、減壓循環真空泵、日立S-4800型掃描電鏡。

1.2 重質氧化鎂制備

取一定量水鎂石粉末，加入HCl溶解，過濾得濾液。向濾液中加入少量H2O2，靜置1 d，過濾得濾液。按照n（MgCl2）∶n（NaOH）分別為1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50、1∶1.75、1∶2.00、1∶2.25、1∶2.50、1∶2.75、1∶3.00向濾液中加入NaOH，沉淀得到Mg（OH）2，過濾后干燥，在不同溫度下煅燒制得MgO。對MgO進行表觀密度、活性測定，以及XRD、SEM表征，得出制備MgO的最佳條件。另外，與水選后水鎂石直接煅燒制得的MgO相比較。

1.3 重質氧化鎂性能測定

1）表觀密度測定［9］。MgO樣品表觀密度測定采用輕敲模式。稱量10 mL干燥量筒的質量，記為m1；向量筒中倒入MgO粉末，輕輕敲擊量筒，直到粉末體積不再改變，再次稱量量筒質量，記為m2；記下粉末體積，記為V。則MgO樣品表觀密度計算公式為（m2-m1）/V，單位為g/mL。

2）碘吸附值測定［10］。精確稱取一定質量的MgO加入一定體積的I2-CCl4標準溶液中，超聲震蕩后過濾，將濾液加入0.1 mol/L的KI-乙醇溶液中，用0.1 mol/L的Na2S2O3標準溶液滴定至終點，計算單位質量MgO的碘吸附值（單位:mg/g）。碘吸附值越大說明MgO的活性越高。

3）檸檬酸活性測定（CAA值）［11］。參照國標法，量取0.1 mol/L的檸檬酸溶液100 mL于燒杯中，滴加3滴酚酞試劑。準確稱取1.999 0～2.000 9 g MgO，在30℃下將MgO加入燒杯中，并立刻開始計時，待溶液變紅時停止計時，記下時間（即為CAA值）。時間越長說明MgO活性越低。

4）采用Bruker D8型X射線衍射儀對氧化鎂粉末進行表征，分析氧化鎂的晶體結構。采用日立S-4800型掃描電鏡觀察MgO的形貌。

2 結果與討論

2.1 不同工藝條件制得MgO的表觀密度

表1列出不同n（MgCl2）∶n（NaOH）以及不同煅燒溫度制得MgO的表觀密度。從表1不難發現:不論是直接煅燒還是先以不同n（MgCl2）∶n（NaOH）制得Mg（OH）2再經煅燒制得MgO，其表觀密度都可達到0.7 g/mL以上，基本都符合重質氧化鎂的簡單范疇。但同時發現，n（MgCl2）∶n（NaOH）和煅燒溫度對最終產物表觀密度的影響比較明顯。

表1 不同n（MgCl2）∶n（NaOH）以及不同煅燒溫度制得MgO的表觀密度

以煅燒溫度分別為650、7 00、750℃為例，不同n（MgCl2）∶n（NaOH）制得MgO的表觀密度見圖1a。由圖1a看出，隨著NaOH用量增加，MgO表觀密度在n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶1.25處首先出現一個峰值，MgO表觀密度在1.00 g/mL左右。分析其原因是由于Mg2+過量，在沉淀過程中引起吸留和包夾引起的。隨著NaOH用量繼續增加，MgO表觀密度在n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶1.50處有小幅下降（MgO表觀密度在0.9 g/mL左右），然后在n（MgCl2）∶n（NaOH）= 1∶1.75處又出現一個峰值，MgO表觀密度在1.1 g/mL左右，甚至在煅燒溫度為700℃時MgO表觀密度達到1.15 g/mL。隨后，繼續增加NaOH用量，MgO表觀密度變化不明顯。

以n（MgCl2）∶n（NaOH）分別為1∶0.00、1∶1.00、1∶1.75、1∶2.00、1∶3.00為例，不同煅燒溫度制得MgO的表觀密度見圖1b。由圖1b可以看出，隨著煅燒溫度升高，MgO表觀密度先小幅減小后增大。這是由于，450℃的煅燒溫度不能使氫氧化鎂完全分解，造成剛開始煅燒時MgO的表觀密度較大；隨著煅燒溫度升高，氫氧化鎂分解越來越充分，MgO表觀密度小幅減小；隨著煅燒溫度繼續升高，MgO表觀密度逐漸增大，在煅燒溫度為650～700℃時達到最大值，最高值達到1.15 g/mL以上。從圖1b還可以看出，直接煅燒和n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶1.00條件制得MgO的表觀密度相差不大。但是，在活性方面，直接煅燒制得MgO的活性要比NaOH沉淀再煅燒制得MgO的活性高很多，而且白度也較白，但其純度不太好。

圖1 不同n（MgCl2）∶n（NaOH）和不同煅燒溫度制得MgO表觀密度

2.2 MgO表觀密度對活性的影響

表2列出不同n（MgCl2）∶n（NaOH）制得Mg（OH）2在700℃煅燒制得MgO的表觀密度、CAA值、碘吸附值。從表2可以看出，MgO的CAA值很高，幾乎都在500 s以上，說明MgO的活性很低；從MgO的碘吸附值數據也能說明這一點。

表2 MgO表觀密度對CAA值及碘吸附值的影響

圖2給出MgO表觀密度與CAA值的關系。從圖2看出，MgO的CAA值與其表觀密度呈正相關性，相反產物的活性與表觀密度呈負相關性。因為MgO表觀密度大，說明MgO晶體顆粒排列緊密、孔面積小，而且晶體缺陷小、比表面積也較小，這樣晶體表面及內部的活性位點也相對較少，從而活性就較低。

圖2 MgO表觀密度對CAA值的影響

2.3 MgO的XRD表征

圖3為n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶1.75、煅燒溫度為700℃制得MgO的XRD譜圖。由圖3可以看出，在2θ為37.0、43.0、62.4、74.8、78.7°處有衍射峰，與標準卡片氧化鎂的衍射峰位置一致，說明制得的產物是氧化鎂。另外，樣品XRD譜圖峰寬很窄且峰強很高，說明產物結晶度好，晶型結構穩定。

圖3 MgO的XRD譜圖

2.4 MgO的SEM表征

圖4為n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶1.75、煅燒溫度為700℃制得MgO的SEM照片。從圖4可以看出，MgO顆粒為近似橢球狀，或者稱為膠囊狀。顆粒內部堆積較為緊密、比表面積小、活性位點少，所以活性低，但是表觀密度大。

圖4 MgO的SEM照片

3 結論

以水鎂石和氫氧化鈉為原料，通過控制原料配比和煅燒溫度等條件，制備出表觀密度達到1 g/mL以上的膠囊狀重質氧化鎂，這是其他方法很難達到的。在n（MgCl2）∶n（NaOH）=1∶（1.2～1.8）、煅燒溫度為600～750℃條件下，制得MgO的表觀密度最大，最高可達1.15 g/mL以上，而且產物晶型結構穩定、含雜質較少。本方法不僅適用于實驗室制備重質氧化鎂，也可在工業生產中推廣應用。另外，MgO制備過程中不需要添加其他反應物，制備過程簡便、環保。所以，該方法制備的氧化鎂具有很大的應用價值。

［1］ 胡慶福.鎂化合物生產與應用［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［2］ 胡慶福，宋麗英，胡曉湘.水菱鎂石開發與利用［J］.無機鹽工業，2005，37（11）:44-46.

［3］ 董靜.高比表面氧化鎂催化劑的制備與性能［J］.化學反應工程與工藝，2013，29（4）:327-331.

［4］ 趙娜.納米氫氧化鎂的鹵水-堿法合成與分析及重質氧化鎂的制備［D］.上海:華東師范大學，2015.

［5］ 郭如新.水菱鎂石和斜方云石的開發與應用［J］.鹽湖研究，2009，17（3）:63-67.

［6］ 許榮輝.高純氧化鎂制備原理初探［J］.鹽湖研究，2003，11（4）: 39-41.

［7］ 戴淑平，于景坤.電熔氧化鎂對鎂鉻耐火材料致密化的影響［J］.材料與冶金學報，2003，2（1）:42-44.

［8］ 陶道敏.高純氧化鎂用于等離子顯示屏涂層［J］.無機鹽工業，2006，38（6）:60.

［9］ 彭浩，黃瓊珠，路貴民，等.水氯鎂石煅燒制備活性氧化鎂研究［J］.鹽業與化工，2010，39（6）:7-11.

［10］ 張琴，趙娜，翟俊，等.鹵水-氨水制備超細Mg（OH）2及超聲處理對其影響［J］.鹽業與化工，2014，43（10）:12-15.

［11］ 金艷花，潘旭杰，代如梅，等.碳酸銨直接沉淀法制備納米氧化鎂的研究［J］.無機鹽工業，2014，46（7）:33-35.

聯系方式：1002880692@qq.com

Research on preparation of heavy MgO by brucite-alkali method

Zhai Jun，Huang Chunhui，Zhang Qin，Zhao Na，Zong Jun
（School of Chemistry and Molecular Engineering，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Heavy MgO was prepared by brucite and sodium hydroxide as raw materials.The influences of the material mix ratio and calcination temperature on bulk density，activity，and morphology of MgO products were investigated.The study found that by controlling the material mix ratio and calcination temperature，capsule shaped heavy magnesium oxide with bulk density of 1 g/mL could be prepared，which was hard by other ways.When amount-of-substance ratio of MgCl2to NaOH was 1∶（1.2～1.8）and calcination temperature at 600～750℃，the prepared MgO′s bulk density could as high as 1.15 g/mL and the crystal structure stability and purity were both well.

brucite；heavy MgO；bulk density；capsule shape；crystal structure

TQ132.2

A

1006-4990（2016）09-0033-03

2016-03-23

翟俊（1989— ），男，碩士，研究方向為無機新材料及納米材料的制備表征。